在弹性限度以内,弹簧遵循胡克定律:伸长量与拉伸力成正比。力加倍,弹簧就伸长一倍,所以伸长量是所施力的可靠量度。
弹簧秤正是利用这一点。当你把物体挂上去时,物体的重量把弹簧往下拉,弹簧不断伸长,直到它自身的拉力与重量平衡。装在弹簧上的指针沿着已按牛顿标好的刻度移动,你便可直接从弹簧伸长的多少读出重量。
它只有在不超载时才有效。一旦超过弹性限度,弹簧会永久变形,不再成比例伸长,读数就会出错。
在 SPM 中,你应把弹簧秤的工作原理与胡克定律和弹性限度的概念联系起来。
常见误解
- 弹簧秤直接测量质量 -> 它测量的是重量,即重力;刻度可以按牛顿标示。
- 不论加多重的负载弹簧都成比例伸长 -> 只在弹性限度内如此;超过后比例关系和弹簧本身都会被破坏。
- 越硬的弹簧在相同力下伸得越长 -> 越硬的弹簧劲度系数越大,相同力下伸得越短。
背后的物理原理
弹簧秤把胡克定律变成一个可靠的读数。胡克定律指出拉伸力与伸长量成正比,写作 F = kx,其中 F 是力,单位牛顿;x 是伸长量,单位米;k 是劲度系数,单位牛顿每米。
劲度系数量度硬度:k 越大,弹簧越硬,对给定的拉力伸得越少。
假设一台秤用的弹簧 k = 250 N m⁻¹,指针显示伸长量 x = 0.12 m。拉伸它的力就是 F = kx = 250 N m⁻¹ × 0.12 m = 30 N,而由于拉弹簧的正是重量,所以负载重 30 N。
再除以重力场强度就得到质量,m = 30 N ÷ 9.81 N kg⁻¹ = 3.1 kg。在力-伸长量图上,这根弹簧给出一条过原点的直线,其斜率就是 k。
制造商只需把刻度按牛顿直接标在对应的伸长量上,指针便能读出重量,无需任何计算。
在巴刹里
挂式弹簧秤在马来西亚的巴刹里很常见:小贩把一袋鱼或菜钩上去,弹簧一伸长,就能直接从刻度盘读出重量。收获越重,弹簧被拉得越低,指针爬得越高,正好与负载同步。
旅客把同样的工具当作小型行李秤,夹在行李箱把手上提起,让箱子自由悬挂,好在出门前检查行李是否低于航空公司的限重。钓鱼爱好者也用同样的方法称量得意的渔获。
连浴室体重秤也是靠这个原理,只不过它的弹簧是被压缩而非拉伸,再由一套杠杆带动刻度盘。在所有这些器具里,设计都假定弹簧保持在弹性限度以内;一条对小巴刹秤来说太重的鱼会把弹簧拉过头,使它不再回弹,之后的每一个读数都会出错。
SPM 中如何考
在试卷二中,这属于“力与运动 II”一章,常用的指令词有说明、解释、描述和求出。你可能被要求说明胡克定律,解释为什么弹簧秤一旦超载就读不准,或从力-伸长量图求出劲度系数。
基于实验的题目可能要求你描述如何探究力与伸长量的关系并把结果作图。
这个概念与同一章的相邻内容紧密相连:弹性与弹性限度、斜率给出 k 的力-伸长量图,以及储存在被拉伸弹簧中的弹性势能,由 E = ½ Fx 或 E = ½ kx² 给出。它还与弹簧的串联和并联排列有关,这会改变有效硬度。
遇到弹簧秤的题目时,要把读数直接联系回 F = kx,并在相信这个数值之前先检查弹簧是否仍在弹性限度以内。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)